Ingeniører giver bløde robotter et hjerte

Et samarbejdende hold af forskere fra Cornell og U.S. Army Research Laboratory har brugt hydrodynamiske og magnetiske kræfter til at drive en gummiagtig og deformérbar pumpe, der giver bløde robotter et cirkulationsystem. Dette system efterligner biologien hos dyr i naturen. 

Artiklen med titlen “Magnetohydrodynamic Levitation for High-Performance Flexible Pumps” er offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences. 

Likelike Maskiner

Rob Shepherd er lektor i mekanisk og rumfartsingeniørvidenskab på College of Engineering. Han ledte holdet af forskere på Cornell sammen med førsteforfatter Yoav Matia.

“Disse distribuerede bløde pumper fungerer meget mere som menneskehjerter og arterierne, som blodet leveres fra,” sagde Shepherd. “Vi har haft robotblod, som vi har offentliggjort fra vores gruppe, og nu har vi robot-hjerter. Kombinationen af de to vil gøre mere livlige maskiner.”

Den Organiske Robotics Lab ledet af Shepherd har tidligere brugt bløde materialekompositter til at designe en bred vifte af teknologier, såsom en strækbart sensor “hud” og brændstofdrevne braille-display og tøj, der overvåger atletisk præstation. De har også udviklet bløde robotter, der kan gå, kravle, svømme og svede. Ifølge holdet kan mange af disse skabelser anvendes på områderne patientpleje og rehabilitering. 

At skabe cirkulationsystemet

Bløde robotter kræver et cirkulationsystem til at lagre energi og drive deres lemmer og bevægelser, som tillader dem at udføre komplekse opgaver. 

Den nyligt udviklede elastomerpumpe består af en blød silikontube med solenoider, der er monteret på ydersiden. Mellemrummet mellem solenoiderne giver tuben mulighed for at bøje og strække sig. Inden i tuben er der en fast kerne-magnet omgivet af magnetorheologisk væske, der stivner, når den udsættes for et magnetfelt. Dette holder kernen centreret og skaber et tætning på samme tid. Ved at anvende magnetfeltet på forskellige måder kan kerne-magneten flyttes frem og tilbage for at skubbe væsker som vand og lav-viskøse olier fremad med kontinuerlig kraft. 

Shepherd fungerede som co-senior forfatter på forskningen sammen med Nathan Lazarus fra U.S. Army Research Laboratory. 

“Vi opererer ved tryk og flow-rater, der er 100 gange, hvad der er gjort i andre bløde pumper,” sagde Shepherd. “I sammenligning med hårde pumper er vi stadig omkring 10 gange lavere i ydelse. Så det betyder, at vi ikke kan skubbe meget viskøse olier ved meget høje flow-rater.”

Forskerne udførte et eksperiment for at demonstrere, at pumpesystemet kan opretholde en kontinuerlig ydelse under store deformationer. De sporede også ydelsesparametrene for at sikre, at fremtidige iterationer kan tilpasses efter behov afhængigt af robotten. 

“Vi mente, det var vigtigt at have skaleringsrelationer for alle pumpens parametre, så vi kan tilpasse pumperne til den ydelse, vi ønsker, når vi designer noget nyt med forskellige tubediametre og længder,” sagde Shepherd.